2025年高中化学知识竞赛“致未来的化学家”书信大赛试题（二）

2025年高中化学知识竞赛“致未来的化学家”书信大赛试题（二）亲爱的未来化学家：当你拆开这封信时，你手中握着的不仅是一份试题，更是化学世界递给你的一把钥匙。2025年的化学竞赛已不再是孤立知识点的比拼，而是对科研思维、跨学科整合能力和社会责任意识的综合考验。以下题目将带你穿越分子丛林，破解反应密码，最终站在化学发展的前沿阵地。请以书信形式作答，既要展现严谨的逻辑，也要让文字闪耀着对科学的热忱。第一题：无机化学——储氢材料的“分子积木”近年来，氢能作为清洁能源备受关注，而储氢材料的研发是氢能利用的核心难题。某团队设计了一种新型储氢材料——稀土镍基化合物LaNi₅，其储氢原理为：LaNi₅+3H₂⇌LaNi₅H₆（ΔH<0）。反应机理分析：（1）写出该反应的平衡常数表达式K，并判断升高温度对平衡移动的影响（结合焓变说明）。（2）LaNi₅的晶体结构中，Ni原子形成正八面体空隙，La原子填充在由Ni原子构成的立方体空隙中。若晶胞参数为apm，计算该晶体的密度（用Nₐ表示阿伏伽德罗常数，La、Ni的相对原子质量分别为139、59）。实际应用挑战：实验发现，LaNi₅在循环储放氢过程中会发生“粉化”现象（颗粒破碎），导致储氢效率下降。从金属键和晶格能角度分析粉化的原因，并提出一种改善材料稳定性的化学修饰方案。第二题：有机化学——药物合成的“分子裁缝”2025年诺贝尔化学奖授予了“不对称催化领域的突破性贡献”，其中手性药物的合成是重要应用方向。以下是抗新冠病毒药物“莫诺拉韦”的关键中间体合成路线：A（C₆H₁₂O）→[H₂SO₄/Δ]B（C₆H₁₀）→[Br₂/CCl₄]C（C₆H₁₀Br₂）→[NaOH/醇]D（C₆H₈）→[m-CPBA]E（C₆H₈O）→[H₂/Ni]F（C₆H₁₀O）结构推断：（1）A的核磁共振氢谱显示有3组峰，峰面积比为3:2:1，且能发生银镜反应。写出A、B、E的结构简式。（2）D→E的反应类型是________，E→F的反应中，手性中心的构型是否发生变化？请用R/S标记法说明。立体化学挑战：若用（S）-环氧丙烷与格氏试剂CH₃MgBr反应制备F的对映异构体，写出主产物的结构简式，并解释为何该反应具有立体选择性（提示：考虑环氧丙烷的开环机理）。第三题：物理化学——电解质溶液的“离子迷宫”锂离子电池的性能取决于电解质溶液中离子的迁移效率。某研究团队测定了25℃时LiPF₆-碳酸酯溶液的电导率数据：浓度c/mol·L⁻¹0.010.050.100.501.00电导率κ/S·m⁻¹0.823.856.9825.242.1数据处理与分析：（1）计算0.10mol·L⁻¹溶液的摩尔电导率Λₘ（Λₘ=κ/c），并根据Debye-Hückel极限公式（Λₘ=Λₘ⁰-A√c）估算极限摩尔电导率Λₘ⁰（A取0.02S·m²·mol⁻¹·L^(1/2)）。（2）Li⁺的迁移数t⁺在该浓度下为0.36，计算PF₆⁻的电迁移率u⁻（已知F=96500C·mol⁻¹）。实际问题解决：低温环境下，电解质溶液的黏度增大导致离子迁移速率下降。请设计一种基于“离子液体”的新型电解质体系，说明其阴阳离子选择依据（至少列举2种离子液体的结构简式）。第四题：分析化学——环境监测的“化学侦探”工业废水中的重金属离子（如Cr³⁺、Pb²⁺）对生态系统危害极大。某实验室采用“分光光度法”结合“流动注射分析”技术测定废水中Cr³⁺的浓度：实验原理与操作：（1）Cr³⁺与EDTA在pH=5.0时形成1:1的稳定络合物，其最大吸收波长为540nm。若标准溶液浓度为1.00×10⁻⁴mol·L⁻¹时，吸光度A=0.520，计算该络合物的摩尔吸光系数ε（比色皿光程b=1cm）。（2）实际废水样中含有Fe³⁺干扰测定，需加入NH₄F作为掩蔽剂。写出Fe³⁺与F⁻形成的络离子化学式，并解释掩蔽原理（比较稳定常数K稳：FeF₆³⁻为1.0×10¹⁶，FeY⁻为1.3×10²⁵）。数据可靠性验证：用标准加入法测定某废水样，得到如下数据：|加入Cr³⁺标准溶液体积/mL|0|1.00|2.00|3.00||-------------------------|---|------|------|------||吸光度A|0.210|0.325|0.440|0.555|绘制A-V标准曲线，计算原水样中Cr³⁺的浓度（假设体积变化忽略不计）。第五题：结构化学——超分子材料的“分子建筑”2025年合成的“金属有机框架（MOF）”材料HKUST-1因高比表面积（2900m²/g）被用于CO₂捕集。其结构中，Cu²⁺与均苯三甲酸（C₉H₆O₆）形成二维层状结构，层间通过范德华力堆叠。配位环境分析：（1）Cu²⁺的配位数为4，均苯三甲酸根离子（BTC³⁻）作为三齿配体，画出Cu²⁺与BTC³⁻形成的配位结构示意图（用“—”表示配位键）。（2）计算该MOF材料的理论CO₂吸附量：若每个晶胞含8个Cu²⁺，且每个Cu²⁺可吸附2个CO₂分子，计算1gHKUST-1最多可吸附CO₂的体积（标准状况下，晶胞体积为1.2×10⁻²¹cm³，密度为0.8g/cm³）。功能化设计：若将BTC³⁻中的H原子替换为-NH₂基团，推测材料的CO₂吸附能力变化（从氢键和偶极作用角度说明），并写出改性后配体的名称。第六题：化学与社会——未来能源的“绿色答卷”面对全球气候变化，“人工光合作用”被认为是解决能源危机和碳中和的终极方案。其核心是模拟植物的光反应和暗反应，将CO₂和H₂O转化为燃料（如甲醇）。能量转化路径：（1）写出人工光合作用的总反应方程式，并计算该反应的ΔG（已知298K时，甲醇的ΔfG°=-166.2kJ/mol，CO₂(g)的ΔfG°=-394.4kJ/mol，H₂O(l)的ΔfG°=-237.1kJ/mol）。（2）光催化剂是该过程的关键。某团队研发的CdS量子点催化剂存在光腐蚀问题（CdS+2h⁺→Cd²⁺+S），请设计一种“助催化剂”（如Pt纳米颗粒）的修饰方案，并用电化学原理说明其抑制光腐蚀的机制。社会责任思考：若你是国际能源署的化学顾问，需向各国政府提交一份“化学技术推动碳中和”的政策建议。从“碳捕捉”“碳转化”“碳封存”三个维度，各列举1项化学技术并简述其原理（每项